張開“天眼”看宇宙

任玉梅

2 0 1 6年9月2 5日，“中國天眼”FAST即將在貴州平塘正式竣工并投入使用。這一天文學(xué)盛事，掀起了大眾對尋找地外文明的熱議。

而在中科院國家天文臺(tái)副臺(tái)長鄭曉年看來，“尋找地外生命，的確是FAST的一個(gè)目標(biāo)所在，但它更像是排在菜單末尾的甜點(diǎn)。FAST試圖回答的，是更久遠(yuǎn)的問題，比如宇宙演化、脈沖星和星際分子，它將幫助解開宇宙初始混沌、暗物質(zhì)分布與大尺度結(jié)構(gòu)以及星系演化等領(lǐng)域的謎團(tuán)?！?/p>

那么，F(xiàn)AST將如何解答這些謎題？

FAST謎題之尋找地外文明

FAST，全稱“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”，是目前世界最大的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，它的靈敏度與號(hào)稱“地面最大機(jī)器”的德國波恩100米射電望遠(yuǎn)鏡相比，提高了約10倍；綜合性能與“人類20世紀(jì)10大工程”之首的美國阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡相比，同樣提高了約10倍。

“這意味著，它建成后將成為中國天文學(xué)研究的‘利器，在未來20～30年保持世界一流設(shè)備的地位?！编崟阅杲忉屨f。

中科院國家天文臺(tái)研究員、FAST工程經(jīng)理部副經(jīng)理彭勃?jiǎng)t表示：“由于靈敏度更高，F(xiàn)AST能看到更遠(yuǎn)、更暗弱的天體，通過探測星際分子、搜索可能的星際通訊信號(hào)，尋找地外文明的幾率比現(xiàn)有設(shè)備提升了5～10倍?！?/p>

那么，F(xiàn)AST是怎樣尋找地外文明的？

答案是，通過一種波——一種肉眼看不見的無線電波。

和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要通過可見光來觀測宇宙不同，射電望遠(yuǎn)鏡主要觀測的是無線電波。由于無線電波能穿透宇宙中大量存在、且光波無法通過的星際塵埃，因而射電望遠(yuǎn)鏡的“視力”要比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)得多。

正因?yàn)槿绱耍?932年射電望遠(yuǎn)鏡問世后，便開啟了探索宇宙的黃金時(shí)代——20世紀(jì)60年代，天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)類星體、脈沖星、星際有機(jī)分子和宇宙微波背景輻射，都與射電望遠(yuǎn)鏡有關(guān)；諾貝爾獎(jiǎng)歷史上10項(xiàng)天文學(xué)獎(jiǎng)中，有6項(xiàng)都基于射電望遠(yuǎn)鏡的觀測成果，射電天文學(xué)也因此成為“諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃”。

不過，來自太空的無線電信號(hào)非常微弱，有天文學(xué)家形象地比喻：“把80余年來所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量集中起來，甚至翻不動(dòng)一頁紙。”因此，要想閱讀更多的宇宙信息，就需要“視力”更強(qiáng)的射電望遠(yuǎn)鏡。

而這一“視力”的靈敏度與口徑的平方成正比，可探測范圍與口徑的三次方成正比——總之，口徑越大，射電望遠(yuǎn)鏡的“視力”就越強(qiáng)。

據(jù)鄭曉年介紹，直徑500米的 FAST理論上能接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，這一距離，已接近宇宙邊緣。

也就是說，如果宇宙中真的存在地外文明，F(xiàn)AST就極有可能捕捉到相關(guān)信號(hào)，從而揭開這些“星際鄰居”的神秘面紗。

FAST謎題之探秘宇宙大爆炸

“FAST最主要的兩大科學(xué)目標(biāo)，是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈沖星?！敝锌圃簢姨煳呐_(tái)FAST工程總工藝師王啟明介紹說。

中性氫，這是什么東西？探測它有什么用？

實(shí)際上，中性氫與大眾耳熟能詳?shù)囊粋€(gè)詞——“宇宙大爆炸”有關(guān)。

我們知道，宇宙起源于137.4億年前的一次大爆炸。但是，由于此前科學(xué)家很難將觀測延伸到如此久遠(yuǎn)之前，關(guān)于大爆炸的細(xì)節(jié)，尤其是爆炸之初最為重要的60秒里發(fā)生的劇變，至今尚無明確答案。

幸運(yùn)的是，宇宙中還有一位與大爆炸幾乎同齡的“老人家”——中性氫。

中性氫能輻射出21厘米氫譜線，它能穿越宇宙塵埃、暗云等星際物質(zhì)，因此能用于研究星際中性氫原子分布、銀河系和河外星系結(jié)構(gòu)，幫助人們解開宇宙大爆炸之謎。

但是，由于21厘米氫譜線的信號(hào)極其微弱，“閱讀”它需要非常靈敏的望遠(yuǎn)鏡，比如我們的FAST。

實(shí)際上，為了提高靈敏度，F(xiàn)AST采取了非常嚴(yán)苛的“毫米標(biāo)準(zhǔn)”。

“FAST的目標(biāo)，是把覆蓋30個(gè)足球場的信號(hào)，聚集在藥片大小的空間里，如果不這樣，就無法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào)，”王啟明介紹說，“因此，F(xiàn)AST500米口徑的巨大結(jié)構(gòu)，處處都是頭發(fā)絲般的毫米級(jí)精度要求。用來編織索網(wǎng)的上萬根手臂般粗細(xì)的鋼纜，每一根的加工精度都被控制在1毫米以內(nèi)；天線精度是3毫米，每一塊小面板的制造精度是1.5毫米?！?/p>

此外，由于FAST采用了光機(jī)電一體化的饋源平臺(tái)，加之饋源艙內(nèi)的并聯(lián)機(jī)器人二次調(diào)整，它在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)指向跟蹤，精確聚集和監(jiān)聽宇宙中微弱的射電信號(hào)。

那么，F(xiàn)AST的靈敏度到底有多高？王啟明打了個(gè)比方：“假設(shè)你在月球上打電話，F(xiàn)AST也能探測到你的信號(hào)。”

FAST謎題之星際旅行導(dǎo)航

FAST的另一大科學(xué)目標(biāo)，是觀測脈沖星。

脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，具有極其穩(wěn)定的周期性，是宇宙中最精準(zhǔn)的“天文時(shí)鐘”。因此，它能成為星際航行的“燈塔”，為宇宙飛船提供自主導(dǎo)航信息服務(wù)。

“從射電望遠(yuǎn)鏡誕生至今，人類共發(fā)現(xiàn)了約2500顆脈沖星，如果FAST的工作時(shí)間全部用于觀測脈沖星，它一年內(nèi)就有望將這個(gè)數(shù)量翻倍?！迸聿f。

而且，目前已觀測到的脈沖星均在銀河系內(nèi)，F(xiàn)AST將對準(zhǔn)銀河系外的脈沖星，為天文界開拓新的研究領(lǐng)域。

當(dāng)然，F(xiàn)AST能做的還有更多：探索暗物質(zhì)與暗能量，檢測引力波，研究黑洞如何吞噬小天體，搜尋中子星-黑洞雙星、奇異星、夸克星物質(zhì)……作為物理學(xué)和天文學(xué)研究的新平臺(tái)，它將幫助我們解開深遠(yuǎn)宇宙中的更多謎題。

FAST謎題之“眼珠”怎樣動(dòng)起來

“中國天眼”之所以擁有如此多的強(qiáng)悍功能，不僅源于它的大，更來自它的靈巧——它是會(huì)“動(dòng)”的！

也許你會(huì)說，眼睛不都會(huì)動(dòng)嗎？但對射電望遠(yuǎn)鏡來說卻并非都是如此。

在FAST問世之前的世界最大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡——美國阿雷西博305米望遠(yuǎn)鏡就不會(huì)“動(dòng)”，而FAST則能在局部300米直徑的拋面上“動(dòng)”起來。

打個(gè)比方，阿雷西博就像是一只固定不動(dòng)的305米直徑的大眼睛，而FAST則是一只更大的、直徑500米的眼睛，它上面有300米直徑的眼珠，可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，因而能眼觀六路，視野寬廣。

“眼珠”之所以會(huì)動(dòng)，源于FAST工程中的中國三大自主創(chuàng)新之一——“主動(dòng)反射面”技術(shù)。

據(jù)王啟明介紹，為了讓FAST能“動(dòng)”起來，科學(xué)家們煞費(fèi)腦筋，不斷探索、試驗(yàn)，最終選擇了“索網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，將4450個(gè)反射面單元面板固定在上萬根鋼索上，形成一個(gè)巨大的“網(wǎng)兜”——這也是目前全球跨度最大、精度最高、第一個(gè)采用變位工作方式的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，再次刷新了世界紀(jì)錄。

為提高索網(wǎng)的支撐作用，F(xiàn)AST項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)出具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞特征的專用鋼索，其500兆帕的超高應(yīng)力幅，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍。

“這種材料當(dāng)時(shí)在國內(nèi)沒人能生產(chǎn)出來。”王啟明介紹說，F(xiàn)AST項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)用了整整兩年時(shí)間，尋遍國內(nèi)頂級(jí)的鋼索廠及高校，才最終攻克了這種鋼索技術(shù)。

在FAST反射面單元面板下，還創(chuàng)新設(shè)置了2000多個(gè)促動(dòng)器。它們就像2000多只靈活的大手，拉動(dòng)、支撐著索網(wǎng)，使500米直徑的球面能局部變形為300米直徑的拋面，從而讓FAST的“眼珠”能跟隨天體轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤掃描射電源。

實(shí)際上，F(xiàn)AST的建設(shè)，“從技術(shù)到材料，90%以上都是國產(chǎn)化，是中國制造，更是中國創(chuàng)造?！蓖鯁⒚髡f。

因此，F(xiàn)AST的建成，拓寬了中國科技創(chuàng)新的新維度，推動(dòng)著我國在天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機(jī)器人、大跨度結(jié)構(gòu)、公里范圍高精度動(dòng)態(tài)測量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。未來，它還將為我們帶來哪些傳奇，讓我們拭目以待！（編輯/余風(fēng)）